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压缩空气流量计拓展量程的研究方案和技改
点击次数:512 发布时间:2015-08-05

1.提高抗振动性能的研究和实现
由于流量计与管道法兰式刚性连接,且流量计上压电式涡街流量传感器探头也是与表体刚性连接,管道的振动会直接传导到压电传感器探头上,产生和流量信号相同机理的振动干扰信号;另外,振动也会导致压电传感器的导线、导线端子与电路连接触电等部位的振动,有可能通过某种机电传感机理,转换为电噪声。所以研究涡街传感器自身的结构,提升自身抗振动性能是提高压缩空气流量计抗振动干扰性能的有效方法。若等到振动干扰信号都叠加在流量型号上了,再去想尽各种办法去别除干扰信号,即不经济,也不理想。
为此,本研究方案采用了压电传感器与旋祸发生体(三角柱)分离型的结构方案,即研制了一种小尺寸悬臂梁1221结构的压电式通用涡街流量传感器(简称压电传感器),压电传感器结构如图2所示,由安装法兰盘、探头扁尾、压电元件、铠装导线、密封罩、接线端子等组成。压电传感器通过中部的安装法兰盘与流量计壳体固定,下部的悬臂梁置于旋涡发生体内的孔洞中,压电传感器的探头扁尾通过发生体两侧的侧孔获取旋涡升力作用。并传感出相应的涡街流量信号。在悬臂梁内部,压电元件机械封装在探头内空腔中,空余空腔则无其它填充物。
压电元件通过刚性结构的铠装导线将信号输出到外部的接线端子上,再通过接线端子将信号输出到外部信号处理电路进行处理。当管道流体因漩涡发生体产生涡街后,伴随产生的交变升力&作用在悬臂梁下部的探头扁尾上,悬臂梁产生变形并迫使内部的压电元件也同步变形,从而产生出与交变升力对应的电荷,通过后续的一系列信号处理电路,zui终获得流量信息。

提高抗振动性能的设计方案及其分析:
(1)传感器悬臂梁的探头部分按现有工艺和技术设计为较小的外径d和尽量短的长度L,并且探头内空腔采用抽真空无填充物封装结构,这样的结构保证了该探头悬臂梁的质量zui
小,设其等效重心为G点,质量为质点至支撑点距离为i2管道振动加速度为a,振动加速度垂直于探头轴线方向的分量为,则管道振动干扰对悬臂梁的弯矩Mo公式为:
M0=mcfljZ,2
由公式(3)可知,由于悬臂梁质量的客观存在,所以振动产生的干扰弯矩必然存在,但可以减小悬臂梁质量和等效重心的力臂、长度,在振动干扰强度不变的情况下,越轻,作用
力臂、越小,振动干扰产生的弯矩就越小。
(2)如图1所示,传感器探头插人在发生体内的孔洞中,仅通过发生体两侧的导压孔传导出旋涡升力作用于探头扁尾,其他部位不受力;如图2所示,设旋涡升力的作用力臂为,旋涡升力作用点为B,作用力为,此时传感器仅B点受旋涡升力作用,升力产生的弯矩对?公式为:
Fci=ClA
由公式(4)可知,此时的力臂i,zui大,弯矩Mftl也zui大,此时压电传感器输出的信号也zui强。
(3)传感器内部信号导线采用刚性结构的销装导线,该结构可保证在机械振动传感器导线不弯曲和不抖动,导线部分所等效的传感器电容值也会固定不变,减少了因动源引起的电
噪声的产生。
以上分析说明,该压电式涡街流量传感器感应旋涡升力性能强,受管道振动影响弱。从根本上提髙了测量小流量的灵敏度。
2.提升抗电磁干扰性能的研究和实现
压电式涡街流量传感器在工作时输出的电荷信号很弱,电压峰峰为毫伏级,并且工作在非谐振状态,极易受空间中的电磁干扰后衰减,所以传感器的制作既要保证它很髙的输人阻
抗,同时还需有良好的屏蔽和接地要求,以防止漏电流引起的电荷信号衰减和电磁干扰进入电荷放大器的输人端。为此,研制的这种通用涡街流量传感器及其信号处理电路采用了如下的屏蔽工艺等技术方法:
(1)传感器探头体内的元件封装采用无任何填充料的结构,并且采用髙温加热和抽真空状态下对传感器进行氩弧焊接封装,该传感器具有常温下104Mn以上绝缘阻抗和30(?]高温下100mx1绝缘阻抗。
(2)传感器输出导线采用硬质纯镍质内芯的金属铠装线结构,传感器自身的屏蔽效果;
(3)传感器探头内成安装的对压电元件采用差动信号输出接线方式,并且其中一极与传感器的金属外壳可靠接地;
(4)传感器末端导线接线端与电荷放大输人电路连接部分也全部采用刚性金属屏蔽罩防护工艺;
(5)信号处理电路中将初级电荷放大电路和二级放大滤波电路设计成独立的电路模块并且也封闭安装在一个金属屏蔽罩内与其他电路特别是数字电路隔离开来,防止了后级数字电路及其他空间电磁场的干扰。传感器及其初级信号处理电路的结构图如图3所示。

屏蔽可以用控制电场或磁场从空间的一个或到另一个区或的传播,这是克服电场耦合干扰、磁场耦合干扰以及电磁辐射干扰的zui有效手段M屏蔽的目的是利用导电材料或髙导磁率
材料来减小磁场、电场或电磁场的强度。屏蔽可以应用于噪声源,通过用屏蔽材料把干扰源包围起来以减弱干扰磁场的强度,屏蔽也可以应用于需要抑制噪声的敏感元件和检测电路,通过用屏蔽材料把敏感元件和电路包围起来以减弱电路附近的场强。屏蔽的范围可以是电缆、个别器件、部分电路或整个电路系统。总之屏蔽对于削弱或切断电场、磁场与电磁辐射三种干扰耦合方式都是行之有效的。本课题就是充分采用后一种屏蔽方案并有效实施。

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